具有铜结构的集成电路芯片及相关制造方法与流程

本申请主张于2015年5月26日在美国提交的第62/166,567号临时专利申请和于2015年11月17日在美国提交的第14/944,054号专利申请的优先权和权益，并在此包含了前述专利申请的全部内容。

技术领域

本发明的实施例涉及集成电路，特别地，涉及用于集成电路芯片中的铜结构。

背景技术：

集成电路芯片通常包含输入/输出(I/O)焊盘，与该芯片中的电路单元连接。这些I/O焊盘可以通过焊线连接至芯片的封装引脚。I/O焊盘也可以连接至芯片中的再布线层。再布线层一般是一金属层，可以使I/O焊盘在芯片中的分布位置灵活变化。再布线层一般还连接至焊球/焊料凸起，以允许其所在芯片电气连接至外部电路，例如集成于另一芯片中的电路。

技术实现要素：

本发明的一个实施例提出了一种包括铜结构的集成电路芯片。该铜结构的表面覆盖中间金属覆层。该集成电路芯片包含制作有集成电路的衬底、电气耦接中至集成电路的金属焊盘、电气耦接至金属焊盘的铜结构和形成于铜结构上的焊料凸起。该铜结构可以包括再布线层和位于再布线层上的铜柱。

本发明的另一实施例提出了一种制造集成电路芯片的方法，包括：在集成电路芯片的衬底上制作铜种子层，并使该铜种子层与金属焊盘耦接，该金属焊盘耦接至衬底中的集成电路；在铜种子层上电镀制作铜以形成第一铜层；在第一铜层上电镀制作铜以形成第二铜层；在第二铜层上电镀制作焊料层；在第一铜层、第二铜层和焊料层的表面上化学镀锡以形成锡覆层；以及对锡覆层进行热处理以在第一铜层和第二铜层的上表面形成锡-铜中间金属覆层。

本发明的再一实施例提出了一种集成电路芯片包括：衬底，制作有集成电路；第一铜结构，包括形成于被电气耦接至所述集成电路的第一金属焊盘上的第一铜柱、形成于该第一铜柱上的第一焊料凸起和覆盖于第一铜结构表面的第一中间金属覆层；以及第二铜结构，与所述第一铜结构相邻，该第二铜结构包括被电气耦接至所述集成电路的第二金属焊盘上的第二铜柱、形成于该第二铜柱上的第二焊料凸起和覆盖于第二铜结构表面的第二中间金属覆层。

附图说明

下面的附图有助于更好地理解接下来对本发明实施例的描述。为简明起见，不同附图中相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。

图1示意出了根据本发明一实施例的集成电路芯片100的局部剖面图。

图2至图12示意出了根据本发明一实施例的制作集成电路芯片100的流程剖面图。

图13A和图13B示意出了图1所示集成电路芯片的示例性封装。

图14示意出了根据本公开一个实施例的制造集成电路芯片的方法的流程示意图。

具体实施方式

在下面对本发明的详细描述中，为了更好地理解本发明的实施例，描述了大量的电路、元件、方法等的具体细节。本领域技术人员将理解，即使缺少一些细节，本发明同样可以实施。为清晰明了地阐述本发明，一些为本领域技术人员所熟知的细节在此不再赘述。

图1示意出了根据本发明一实施例的集成电路芯片100的局部剖面图。集成电路芯片100可以包括制作有集成电路的衬底101。制作于衬底101中的集成电路可以通过多个金属焊盘103被耦接至集成电路芯片100外部的电路。在一个实施例中，金属焊盘103(例如铝焊盘)可以是集成电路芯片100的输入/输出(I/O)焊盘。金属焊盘103还可以通过焊线连接至集成电路芯片100的封装引脚。在图1示意的例子中，金属焊盘103电连接至再布线层109。

在图1的示例性实施例中，集成电路芯片100包含位于衬底101上的再钝化层104(例如氮化硅)。在一个实施例中钝化层104包括针对单个金属焊盘103的多个微型通孔。这些微型通孔用于将金属焊盘103暴露以允许再布线层109与金属焊盘103电气耦接耦接。铜柱102位于再布线层109上并且与布线层109电气耦接。焊球/焊料凸起105(例如锡)位于铜柱102上并且与铜柱102电气连接。在这一示例中，最终形成锡-铜柱凸点焊接的倒装晶片。倒装晶片可以被封装于封装平台，例如引线框以及封装基底上，以形成集成电路封装。通常外部电路，例如集成于另一集成电路芯片中的电路，可以通过由焊球/焊料凸起105、铜柱102、再布线层109、种子层106和金属焊盘103构成的结构被电气耦接至制作于衬底101中的集成电路。

在图1的示例中，铜结构112包括再布线层109和铜柱102。再布线层109和铜柱102均可以包括铜。铜柱102比再布线层109窄。铜柱102和再布线层109可以采用不同的电镀工艺步骤形成。在一个实施例中铜结构112由中间金属覆层107覆盖。中间金属覆层107覆盖有助于阻止相邻铜结构112之间的迁移。在封装过程中，集成电路芯片100被塑封在塑封料(图1中未示出)中，并且塑封料填满铜结构112之间的空隙。中间金属覆层107可以阻止相邻铜结构112之间沿钝化层104和塑封料交接面(如图1中示意的交界面108)的铜离子迁移。对于焊球/焊料凸起105包括锡的情况，中间金属覆层107可以包括锡-铜(Sn-Cu)金属覆层，例如Cu3Sn覆层。本领域技术人员应该理解一个或多个铜再布线带(图1未示出)可以在铜结构112之间延展。在位于金属焊盘103下方的铜再布线带的相应部分中可以制作微型通孔。

图2至图12示意出了根据本发明一实施例的制作集成电路芯片100的流程剖面图。图2至图12示意出了制作集成电路芯片100的流程中该集成电路芯片100处于晶圆封装和测试各阶段的剖面示意图。虽然为了简明起见图2至图12仅示出了一个铜结构112，但是应该理解集成电路芯片100可以包括多个铜结构112。同理，虽然图2至图12仅示意出了一个再布线层109、铜柱102、焊球/焊料凸起105，该制作流程可以涉及制作多个布线层109、铜柱102、焊球/焊料凸起105等等。

首先参考图2，在衬底101上形成金属焊盘103。在一个实施例中金属焊盘103包括铝。金属焊盘103可以是I/O焊盘用于电气连接至制作在衬底101中的集成电路。衬底101中的集成电路可以在集成电路100的晶圆制作阶段形成，早于晶圆封装和测试阶段

图2的示例中，进一步在衬底101上制作钝化层104。钝化层104可以包括例如氮化硅-二氧化硅堆叠层，其中二氧化硅层形成于衬底101上，而碳化硅层形成于二氧化硅层上。随后可以在钝化层104的对应于每个金属焊盘103的部分中，制作多个微型通孔201。每个微型通孔201可以具有例如3μm×3μm或3μm×6μm的尺寸。

下面参考图3，在衬底101上方形成铜种子层106。铜种子层106可以采用溅射的方式布满钝化层104的表面以及由多个微型通孔201暴露的金属焊盘103的表面上。在一个实施例中，铜种子层106可以包括钛-铜(Ti-Cu)堆叠层，其中钛层形成于金属焊盘103和钝化层104上，而铜层形成于钛层上。在钛-铜(Ti-Cu)堆叠层中，钛层用作保护层，铜层用作电镀种子层。

接下来参考图4，在铜种子层106上制作电镀掩膜206。电镀掩膜206可以包括感光性材料，例如光刻胶。电镀掩膜206用于界定那些即将用于制作再布线层109的区域。在图4的示例中，电镀掩膜206将铜种子层106上即将用于电镀形成再布线层109的部分暴露，并将铜种子层106的其余部分掩盖。

接下来如图5示例，以电镀掩膜206为掩蔽在铜种子层106上电镀制作铜以形成再布线层109。电镀掩膜206可以在随后例如图6示例的步骤中去除。电镀掩膜206可以采用例如感光性材料(例如光刻胶)的剥除工艺去除。

接下来参考图7示例，在再布线层109和铜种子层106上制作电镀掩膜210。电镀掩膜210可以包括感光性材料，例如光刻胶。电镀掩膜210用于界定那些即将用于制作铜柱102和焊球/焊料凸起105的区域。在图7的示例中，电镀掩膜210将再布线层109上即将用于电镀形成铜柱102的部分暴露，并将再布线层109的其余部分掩盖。

接下来如图8示例，以电镀掩膜210为掩蔽在再布线层109上电镀制作铜以形成铜柱102。之后，如图9示意，可以采用电镀掩膜210为掩蔽在每个铜柱102上电镀制作锡以形成焊料层205。在其它实施例中，焊料层205除选择锡外，还可以选用诸如锡/银(Sn/Ag)等可焊金属。

参考图10示例，随后可以将电镀掩膜210采用例如感光性材料(例如光刻胶)的剥除工艺去除。电镀掩膜210去除后，将整个铜结构112的表面暴露。每个铜结构112包括再布线层109和形成于再布线层109上的铜柱102。在之后的工艺步骤中，可以采用一系列例如湿刻蚀步骤将未被再布线层109覆盖的铜种子层106去除。湿刻蚀步骤可以包括铜刻蚀步骤及随后的钛刻蚀步骤，以将用作铜种子层106的钛-铜堆叠层去除。

参考图11示意，接下来电镀制作锡以在图10所示结构的所有被暴露出的金属上表面上形成锡覆层220。该锡覆层220将铜结构112及位于铜结构112上的焊料层205的上表面覆盖。也就是说，在图11的示例中，锡被电镀制作于焊料层205、铜柱102、再布线层109和铜种子层106这一整体结构的上表面。在另外的实施例中，锡覆层220也可以采用化学镀的方式形成。与电镀相比，化学镀采用化学步骤而不再需要导电(例如金属)种子层也无需在镀池中通电。化学镀可以使锡覆层220只形成于金属表面上，而在钝化层104和其它绝缘层上并不会被镀上锡。在一个示例中，锡覆层220可以采用化学镀制作成具有到的厚度。

接下来参考图12的示意，将经过图11步骤之后制作好的结构进行热处理(如加热)以制作形成中间金属覆层107和焊球/焊料凸起105。在一个实施例中，中间金属覆层107和焊球/焊料凸起105可以采用回流的工艺步骤制作形成。回流的工艺步骤可以包括将图11所示的结构置于回流炉或其它热炉中并使其历经热能梯度，以使锡覆层220和焊料层205(在这一实施例中也包含锡)被回流。在回流的工艺步骤中提供的热能使锡覆层220和焊料层205粘合从而形成焊球/焊料凸起105。

在图12示意的步骤中，在回流的工艺步骤中提供的热能还可以使铜结构112的铜(包括铜种子层106、再布线层109和铜柱102的铜)与锡覆层220的锡相互作用，从而形成锡-铜中间金属覆层107。中间金属覆层107可以包括例如Cu3Sn覆层。形成中间金属覆层107的过程中需要消耗锡覆层220。

回流的工艺步骤还可能包括稀释，例如对干回流的工艺步骤中所用气体的稀释或者对湿回流的工艺步骤中所用液体的稀释。此后可以进行稀释清洗的步骤。

接下来参考图13A和13B的示意，在之后的封装步骤中，将集成电路芯片100塑封在塑封230中。塑封230可以包括塑封料或者塑封胶。图13A示意出了集成电路芯片100采用引线框封装的实施例。图13B示意出了集成电路芯片100采用引脚封装的实施例。对于示出了两种实施例，集成电路芯片100都可以通过焊球/焊料凸起105和铜柱102被电气耦接到引线框。外部电路可以通过引线框与集成电路芯片100电气耦接。

图14示意出了根据本公开一个实施例的制造集成电路芯片的方法的流程示意图。图14示意的方法可以在芯片的圆片倒装和凸点焊接阶段实施。图14示意的方法示例性地示出了采用锡-铜柱状焊料凸起焊接的倒装晶片的制造流程，并且接下来以本公开前述图1-12的实施例为背景对其进行说明。本领域的技术人员应该理解，图14示意的方法也可以用于通用的集成电路芯片的制造过程中。

根据图14的示例性实施例，可以在集成电路芯片的衬底上制作铜种子层(步骤301)。衬底101中可以包括在步骤301之前已经制作好的集成电路，例如DC-DC转换器电路、微控制器电路等等。在一个实施例中，铜种子层可以制作在衬底上的钝化层和金属焊盘的裸露表面上。铜种子层106可以包括钛-铜(Ti-Cu)堆叠层。针对每个金属焊盘，可以在钝化层中制作多个微型通孔以将金属焊盘暴露。在一个实施例中，钝化层可以包括氮化硅，金属焊盘可以包括铝。金属焊盘可以包括输入/输出(I/O)焊盘或接合焊盘，与衬底中的集成电路耦接。

随后，可以在铜种子层上电镀制作铜以形成与金属焊盘电气耦接的再布线层(或者其它金属层)(步骤302)。接下来，可以在该再布线层上电镀制作铜以形成铜柱(步骤303)。再布线层和铜柱可以采用不同的电镀工艺步骤并以不同的电镀掩膜为掩蔽制作形成。再布线层和铜柱构成铜结构。之后，可以在铜柱上电镀焊料以形成焊料层(步骤304)。在一个实施例中，焊料包括锡，可以采用电镀铜柱时所使用的电镀掩膜为掩蔽电镀制作于铜柱上。在之后的工艺步骤中，可以采用例如刻蚀步骤将未被再布线层覆盖的那部分铜种子层去除(步骤305)。铜种子层经过刻蚀步骤后将露出相邻铜结构之间的钝化层。

在一个实施例中，接下来在所有被暴露出的金属上表面上镀锡以形成锡覆层(步骤306)。锡覆层可以通过在焊料层、铜柱、再布线层和剩余的铜种子层的上表面进行化学镀锡而形成。化学镀锡可以使锡覆层只形成于金属表面上，而在钝化层和其它绝缘层上并不会被镀上锡。

接下来，可以对锡覆层进行热处理(如加热)以在铜种子层、再布线层和铜柱的上表面形成中间金属覆层(步骤307)。锡覆层可以在回流的工艺步骤中被加热从而使锡与铜相互作用而形成锡-铜中间金属覆层，可以包括例如Cu3Sn覆层。在回流的工艺步骤中提供的热能还可以使锡覆层和焊料层粘合从而形成焊料凸起。若有多余的锡，可以采用锡剥除除步骤将其从中间金属覆层的表面或其它表面去除(步骤308)。

本公开提供包括中间金属覆层的铜结构及相关的制造集成电路芯片的方法，虽然详细介绍了本发明的一些实施例，然而应该理解，这些实施例仅用于示例性的说明，并不用于限定本发明的范围。其它可行的选择性实施例可以通过阅读本公开被本技术领域的普通技术人员所了解。